一种用于3D打印的低氧铕镍粉体及其制备方法与流程

一种用于3d打印的低氧铕镍粉体及其制备方法
技术领域
1.本发明属于稀土合金技术领域，具体而言，涉及一种用于3d打印的低氧铕镍粉体及其制备方法。


背景技术：

2.3d打印对于所用材料的形态和性能要求较高，一般为球形粉末，且球化率要高于98％，高的球化率可以保证打印粉末的均匀性以及后续的打印。目前，国内高端的球形金属粉末制备技术还不够成熟，存在着用来制粉的金属原料中氧含量过高等问题，一般来说氧元素含量应控制在0.15％(质量分数)以下，氧含量过高会严重损害打印件的延展性和断裂韧性。例如，制备球形金属粉末一般采用真空感应熔炼气雾化和电极感应熔炼气雾化技术，真空感应熔炼气雾化存在电能转化效率低、耗能高等问题，高温下熔融金属流通过石墨材质导流管时容易发生碳化反应，导致粉末含碳量增加，影响粉末的综合性能；而电极感应熔炼气雾化技术则存在液流稳定性不易控制等问题，同时电极在熔化过程中受热不均可能发生成分分析，从而导致粉体成分不均匀。
3.因此，目前迫切需要出现一种用于3d打印高球化率粉末的制备新方法。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种用于3d打印的低氧铕镍粉体及其制备方法，该方法能够在整个合金熔炼过程中控制氧含量以及元素偏析。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于3d打印的低氧铕镍粉体的制备方法，包括以下步骤：s1、称取等质量的原料金属铕和镍，放入清理干净的真空悬浮熔炼炉中，对真空悬浮熔炼炉的腔室抽真空并通入氩气清洗；s2、在冷却水循环状态下，增加电流使得金属原料熔化，之后降低电流使金属熔体冷却，重复上述步骤将铸锭进行重熔，得到等质量比的低氧铕镍合金铸锭；s3、将低氧铕镍合金铸锭多线切割成小方块，破碎、粗磨，制成粗粉，再通过等离子体气雾化制粉设备得到球形粉体。
6.根据本发明，步骤s3后还包括对低氧铕镍合金进行表面处理的步骤。优选地，所述表面处理的步骤包括用砂纸打磨所述低氧铕镍合金的表面，使表面变得光亮，打磨后用无水乙醇进行清洗。
7.根据本发明，还包括对表面处理后的所述低氧铕镍合金真空干燥的步骤，将其放入真空度为3pa～5mpa的真空干燥箱，在100℃～120℃下干燥15～20分钟。
8.根据本发明，步骤s1中对真空悬浮熔炼炉的腔室抽真空并通入氩气清洗的步骤包括：s11，打开机械泵，粗抽阀，抽空炉内的空气，使得炉内的压强降至10pa～20pa；s12，打开前置阀和分子泵，等分子泵转速达到25000-27000r/min；s13，关闭粗抽阀，打开主抽阀，使得炉内压强降至5.7～7.7
×
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pa；s14，关闭主抽阀，通入半个大气压的氩气，清洗炉体。
9.根据本发明，所述步骤s2包括：s21，打开常温水泵、冷却水泵以确保熔炼过程中冷却水在循环；s22，打开电源箱，将电流增加到15a～20a，待原料金属铕和镍变红，按5a～10a
的速率开始增加电流，使得金属原料发生熔化；s23，待金属原料铕和镍全部熔化后，按10a～20a的速率降低电流，使得金属熔体慢慢冷却。优选地，对金属铕和镍加热重熔2～3次。优选地，原料铕和镍均为方块状，尺寸为7mm～10mm，纯度为99.999％。
10.优选地，在重熔过程中开启电磁搅拌器搅拌以保证合金熔炼过程的均匀性，所述电磁搅拌器的搅拌电流为4a～5a。
11.根据本发明，待金属熔体冷却后，关闭循环水，打开放气阀，使得内外压平衡，开启炉门取样。
12.根据本发明，采用高频感应等离子体发生器提供等离子体气雾化制粉设备的等离子体，工作功率为30kw～80kw，氩气工作流量为20slpm～50slpm，氩气保护气的流量为20splm～120splm，送粉效率为50g/min～90g/min。
13.根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于3d打印的低氧铕镍粉体，采用上述任一种方法制备而成。
14.本发明的有益效果：
15.本发明采用真空悬浮熔炼工艺制备用于3d打印的低氧铕镍粉体，通过在整个熔炼过程中保持真空和氩气状态，进而控制合金熔炼过程中的氧含量以及元素偏析，使得元素在合金内分布均匀，避免某个区域元素含量特高，某个区域元素含量特低的情况出现。后续采用等离子雾化技术制得了具有优异物理和力学性能的铕镍粉体，等离子体雾化具有以下优点：雾化效率高，金属熔化与雾化过程同时进行；整个过程处于惰性气氛保护，有利于得到高纯粉体；雾化气体具有较高温度，能延缓颗粒凝固，使得球化充分进行；细粉收得率高，几乎没有卫星球；粒径分布范围窄等，该制备工艺先进，参数精确，可用于3d打印得到精度高的产品。
附图说明
16.图1为本发明实施例1中制备的用于3d打印的低氧铕镍合金的铸锭图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
18.本发明提出了一种用于3d打印的低氧铕镍粉体的制备方法，包括以下步骤：
19.s1、称取等质量的原料金属铕(eu)和镍(ni)，放入清理干净的真空悬浮熔炼炉中，对真空悬浮熔炼炉的腔室抽真空并通入氩气清洗。优选地，原料铕和镍均为方块状，尺寸为7mm～10mm，纯度为99.999％。步骤s1中对真空悬浮熔炼炉的腔室抽真空并通入氩气清洗的步骤包括：s11，打开机械泵，粗抽阀，抽空炉内的空气，使得炉内的压强降至10pa～20pa；s12，打开前置阀和分子泵，等分子泵转速达到25000-27000r/min；s13，关闭粗抽阀，打开主抽阀，使得炉内压强降至5.7～7.7
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pa；s14，关闭主抽阀，通入半个大气压左右的氩气，清洗炉体。
20.s2、在冷却水循环状态下，增加电流使得金属原料熔化，之后降低电流使金属熔体
冷却，重复上述步骤将铸锭进行重熔，待金属熔体冷却后，关闭循环水，打开放气阀，使得内外压平衡，开启炉门取样，得到等质量比的低氧铕镍合金铸锭。
21.具体地，步骤s2包括：s21，打开常温水泵、冷却水泵以确保熔炼过程中冷却水在循环；s22，打开电源箱，将电流增加到15a～20a，待原料金属铕和镍变红，按5a～10a的速率开始增加电流，使得金属原料发生熔化；s23，待金属原料铕和镍全部熔化后，按10a～20a的速率降低电流，使得金属熔体慢慢冷却。优选地，对金属铕和镍加热重熔2～3次。在重熔过程中开启电磁搅拌器搅拌以保证合金熔炼过程的均匀性，电磁搅拌器搅拌电流为4a～5a。
22.s3、将低氧铕镍合金铸锭多线切割成小方块，破碎、粗磨，制成粗粉，再通过等离子体气雾化制粉设备得到球形粉体。优选采用高频感应等离子体发生器提供等离子体气雾化制粉设备的等离子体，工作功率为30kw～80kw，氩气工作流量为20slpm～50slpm，氩气保护气的流量为20splm～120splm，送粉效率为50g/min～90g/min。用等离子喷嘴射出的高速、高温等离子气体作为雾化介质，使得金属原料的喂入和熔化、雾化在同一步骤完成，保证了粉末的球形度，可用于3d打印。
23.根据本发明，步骤s3后还包括对低氧铕镍合金进行表面处理的步骤。表面处理步骤包括：用砂纸打磨低氧铕镍合金表面，使表面光亮，打磨后用无水乙醇清洗。对表面处理后的低氧铕镍合金真空干燥，将其放入真空度为3pa～5mpa的真空干燥箱，在100℃～120℃下干燥15～20分钟。
24.根据本发明的另一方面，还提供了一种用于3d打印的低氧铕镍粉体，其采用上述任一种的方法制备而成。优选地，低氧铕镍粉体具有球化率高等特点。
25.本发明所采用的真空悬浮炉技术即在真空感应熔炼技术的基础上，利用电磁悬浮力，使金属熔池在坩埚中呈悬浮或准悬浮状态，排除了熔池与坩埚的相互作用，能制备出纯度高、成分均匀且精确的材料。本发明采用真空悬浮炉技术具有以下优点：1)坩埚材料对炉料不产生污染，熔炼过程有强烈的电磁搅拌；2)不会与坩埚发生反应且炉料几乎不烧损；3)能达到较高的熔炼温度，产品质量好，废品少，成材率高，能大幅度降低材料的制备成本；4)边角料仍可保持高纯度，可回收使用；5)不会发生坩埚烧损，坩埚使用寿命长，且在高真空情况下进行熔炼，可以有效的控制熔炼铸锭的含氧量。
26.等离子雾化是指把固体颗粒注入惰性气体等离子体中，使之在等离子体高温作用下完全蒸发，以蒸汽形式存在，然后利用气淬冷却技术进行快速冷却，使饱和蒸汽快速冷凝、成核、生长而形成超细粉末的技术。等离子雾化工艺是生产活性金属球形微粉的独特工艺，由于等离子雾化粉末较细，由它生产的零部件具有优异的物理和力学性能。
27.下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
28.实施例1
29.步骤s1：称取反应原料金属铕方块400g(7mm)，金属镍方块400g(7mm)，纯度均为99.999％。
30.步骤s2：打开真空悬浮熔炼炉，进行炉体清理渣土或灰尘，然后用无水乙醇进行清洗。将上述金属方块坯体放入坩埚，关闭炉门，打开机械泵粗抽阀，抽空炉内空气，使得炉内的压强降至10pa，打开前置阀和分子泵，等分子泵转速达到27000r/min后关闭粗抽阀，打开主抽阀，使得炉内压强降至6.7
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pa，此时关闭主抽阀，通入氩气清洗炉体，然后打开常温水泵、冷却水泵，确保熔炼过程中冷却水的循环。
31.步骤s3：打开电源箱，将电流增加到20a，观察坩埚内金属方块的情况，等金属方块变红，电流的每次增加量按照10a来增加，使得金属原料开始发生熔化，随着电流的缓慢增加，金属原料全部发生熔化。按照每次15a的降低量开始降低电流，使得坩埚内金属熔体慢慢冷却下来，期间循环水一直处于工作状态。待铸锭冷却后用上述相同方法进行重熔，重复该步骤2-3次。关闭循环水，打开放气阀，使得内外压平衡，开启炉门取样，熔炼得到等质量比铕镍合金。用砂纸打磨铕镍合金表面，使其变得光亮，打磨后用无水乙醇清洗，将表面处理后的铕镍合金放入真空干燥箱，温度120℃，真空度3pa，干燥15min。
32.步骤s4：将等质量比铕镍合金铸锭多线切割成小方块，然后破碎、粗磨，制成粗粉。将粗粉通过等离子体气雾化制粉设备得到球形粉体，高频感应等离子体发生器提供等离子体，工作功率为50kw，氩气工作流量为30slpm，氩气保护气的流量为90splm，设备送粉效率为60g/min，球磨处理后得到球化率高的金属粉末，可用于3d打印。
33.步骤s5：将步骤s4中制好的球形粉末送入3d打印设备中，通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面。将建立好的模型导入3d打印设备中，让粉末喷洒到工作台上，工作台的加热温度为300℃，喷洒到工作台上的粉末因为加热作用逐渐累积起来，直到产品完成打印。
34.采用辉光放电质谱仪测试实施例1中制备的铕镍粉体的含氧量，其含氧量为300ppm。
35.以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。